CN216908522U - 一种下肢康复训练机器人的人机接触力检测装置 - Google Patents

Abstract

一种下肢康复训练机器人的人机接触力检测装置，包括配合在人体下肢上的穿戴环、外环板以及力检测模块，所述外环板对称设置穿戴环的两侧，在穿戴环的每一个侧面与对应的外环板之间分别设有至少两组力检测模块，所述外环板通过长度调整组件安装在连接块上，所述的长度调整组件包括两个长度调节螺杆，两个长度调节螺杆固定连接在连接块的两侧分别与对应的外环板相连接，并通过调整螺母进行固定。本方案，通过差动式压力检测获取人机接触力的新型穿戴式传感机构，并包括信号转换与处理的智能测试装置，内置机器学习算法对运动意图进行预测，从而帮助康复机器人实时检测人体下肢运动意图，辅助患者完成康复训练，提高康复效率。

Description

一种下肢康复训练机器人的人机接触力检测装置

技术领域

本实用新型涉及康复医疗机器人的人机交互技术领域，具体为一种下肢康复训练机器人的人机接触力检测装置。

背景技术

长期以来，人体主动运动意图的获取一直都是服务机器人的研究热点领域，而人机接触力检测装置作为人体主动运动意图的获取途径之一，为机器人的人机交互能力提供了信息获取和反馈的有效方法。在康复机器人领域常被用作获取由于中风、神经损伤或骨折等病况导致下肢功能损伤的患者下肢动作意图，为康复机器人主/被动训练提供参数调整依据，并为医师训练提供医学评估信息。在助力机器人的应用中，通过获取人体与外骨骼机器人之间的交互信息，判断人机协调性，控制助力机器人的跟随运动。

目前，由于康复机器人在硬件和软件方面都面临着诸多的挑战，尤其是机器人缺乏足够的能力来充分识别穿戴者的行为和意图，从而导致康复机器人不能很好的辅助患者。鉴于此，相关领域的研究人员目前普遍采用的方法有电生理测量和机械传感器测量。其中，电生理测量分为肌电图（EMG）和脑电图（EEG），肌电图是肌肉细胞在肌肉活动中产生的电活动测量，其发生在肌肉活动前大约100毫秒；脑电图分为稳定状态的视觉诱发电位和P300电位，通过实验者观察受控制的外部刺激产生随着想象的运动而改变的脑电波变化，由脑电图监测。机械传感器测量方法是通过将常见的测量力和运动学的机械传感器，放置在人体运动时肢体几个关键点的部位来获取人体运动意图。相比之下电生理测量能够在人体肢体动作前预测人体动作意图，但是其对测量环境的要求比较高，如实验者测量部位肌肉拉伸、出汗等均会对测量结果产生很大影响；由于机械传感器测量在人体动作意图识别时存在滞后性，所以在测量的过程中并不能很好的实现预测人体动作意图。

实用新型内容

为解决上述技术问题，本实用新型的目的是提出一种下肢康复训练机器人的人机接触力检测装置。

本实用新型采用的技术方案是：一种下肢康复训练机器人的人机接触力检测装置，该人机接触力检测装置通过连接块以及连接组件安装在下肢康复训练机器人上，包括配合在人体下肢上的穿戴环、外环板以及力检测模块，所述外环板对称设置穿戴环的两侧，在穿戴环的每一个侧面与对应的外环板之间分别设有至少两组力检测模块，所述外环板通过长度调整组件安装在连接块上，所述的长度调整组件包括两个长度调节螺杆，两个长度调节螺杆固定连接在连接块的两侧分别与对应的外环板相连接，并通过调整螺母进行固定。

作为优选方案，在所述穿戴环的每一个侧面上分别设有两个间隔设置的导杆，与每一个导杆对应的位置处，在外环板的内侧面对应设有凸台，在凸台的端面上设有用于安装导杆的导向槽，所述的力检测模块包括设置在导向槽内的薄膜压力传感器、设置在导杆和薄膜压力传感器之间的传力组件以及用于接收薄膜压力传感器的信号并输出的信号转换模块。

作为优选方案，所述穿戴环，其两侧面的导杆位于同一个水平面上，所述导杆通过顶紧螺钉固定连接在外环板侧面的凸台上。

作为优选方案，所述的薄膜压力传感器设置在导向槽底部，并通过凸台底部设置的开口放置其中。

作为优选方案，所述的传力组件包括连接在导杆端部的弹簧以及设置在弹簧和薄膜压力传感器之间的金属圆垫，穿戴环受到来至患者的力作用后,该作用力经过弹簧以及金属圆垫施加在薄膜压力传感器上。

作为优选方案，所述信号转换模块嵌设在外环板的外侧面，薄膜压力传感器设置在外环板的内侧并靠近信号转换模块的位置。

作为优选方案，所述的长度调整组件，两个所述长度调节螺纹杆分布在连接块的不同轴的两侧位置，呈一上一下的分布。

作为优选方案，所述的穿戴环由两个半环形构件组成，其上设有绑带孔，两个半环形构件通过绑束带固定在人体下肢上。

作为优选方案，所述的连接块通过固定螺栓和固定螺母与下肢康复训练机器人的凸台进行配合连接。

本实用新型的有益效果是：

本方案通过对人机接触力检测装置的结构进行优化设计，使其更好的与康复训练机器人配合已完成检测过程，本方案，通过差动式压力检测获取人机接触力的新型穿戴式传感机构，并包括信号转换与处理的智能测试装置，内置机器学习算法对运动意图进行预测，从而帮助康复机器人实时检测人体下肢运动意图，辅助患者完成康复训练，能够对患者康复过程中的训练状态及时检测与评估，提高康复效率，缩短康复周期，解决了机械传感器识别运动意识的滞后性和生物传感器穿戴要求高，信号微弱时，检测不可靠的问题；

同时，本方案还具有如下优点：

其一、本方案，通过对装置的穿戴部分结构进行优化，可以根据患者的下肢腿围尺寸及时调节检测装置的大小，适应具体个性化差异的患者，能够增加患者穿戴的舒适性和便捷性；

其二、本方案，通过对装置中力检测模块的连接结构进行优化，具体为：外环板对称设置穿戴环的两侧，在穿戴环的每一个侧面与对应的外环板之间分别设有至少两组力检测模块，所述外环板通过长度调整组件安装在连接块上，实现如下效果：检测装置原理及处理方法为差动形式，在患者下肢肢体的前后布置4个薄膜压力传感器，同时检测出力信号，分析判断前后力信号差值，减少测量误差；

其三、本方案，将检测到的信号转化为反馈信号参与控制，实现人机协调互助的顺应性和安全治疗，并实施检测防止对患者造成二次伤害；

其四、本方案，对连接部分进行优化设计，连接块通过固定螺栓和固定螺母与下肢康复训练机器人的凸台进行配合连接，安装便捷、拆卸方便，具有较好的通用性特点。

附图说明

为了更清楚地说明实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本实用新型的整体结构示意图；

图2是本实用新型中薄膜压力传感器位置的剖视图；

图3是本实用新型整体结构的侧视图；

图4是本实用新型整体结构的俯视图；

图5是图4中A处的局部放大图；

图6是本实用新型在使用状态下的数据处理原理图。

附图标记：1、穿戴环，101、导杆，2、外环板，201、凸台，3、调整螺母，4、连接块，5、固定螺母，6、固定螺栓，7、长度调整螺杆，8、顶紧螺钉，9、弹簧，10、金属圆垫，11、薄膜压力传感器，12、信号转换模块，13、绑带孔。

具体实施方式

下面，通过示例性的实施方式对本实用新型进行具体描述。然而应当理解，在没有进一步叙述的情况下，一个实施方式中的元件、结构和特征也可以有益的结合到其它实施方式中。

需要说明的是：除非另做定义，本文所使用的技术术语或者科学术语应当为本实用新型所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本实用新型专利申请说明书中所使用的 “一个 ”、“一”或者“该”等类似词语不表述数量限制，而是表示存在至少一个。“包括”或者“包含”等类似的词语指出现在“包括”或者“包含”前面的元件或者物件涵盖出现在“包括”或者“包含”后面列举的元件或者物件及其等同，但并不排除其他具有相同功能的元件或者物件。

一种下肢康复训练机器人的人机接触力检测装置，该人机接触力检测装置通过连接块以及连接组件安装在下肢康复训练机器人上，包括配合在人体下肢上的穿戴环、外环板以及力检测模块，所述外环板对称设置穿戴环的两侧，在穿戴环的每一个侧面与对应的外环板之间分别设有至少两组力检测模块，所述外环板通过长度调整组件安装在连接块上，所述的长度调整组件包括两个长度调节螺杆，两个长度调节螺杆固定连接在连接块的两侧分别与对应的外环板相连接，并通过调整螺母进行固定。

本方案中，在所述穿戴环的每一个侧面上分别设有两个间隔设置的导杆，与每一个导杆对应的位置处，在外环板的内侧面对应设有凸台，在凸台的端面上设有用于安装导杆的导向槽，所述的力检测模块包括设置在导向槽内的薄膜压力传感器、设置在导杆和薄膜压力传感器之间的传力组件以及用于接收薄膜压力传感器的信号并输出的信号转换模块。

本方案中，所述穿戴环，其两侧面的导杆位于同一个水平面上，所述导杆通过顶紧螺钉固定连接在外环板侧面的凸台上。

本方案中，所述的传力组件包括连接在导杆端部的弹簧以及设置在弹簧和薄膜压力传感器之间的金属圆垫，穿戴环受到来至患者的力作用后,该作用力经过弹簧以及金属圆垫施加在薄膜压力传感器上。

本方案中，所述的穿戴环由两个半环形构件组成，其上设有绑带孔，两个半环形构件通过绑束带固定在人体下肢上。

下面结合附图1-6具体描述本方案的详细结构组成：

如图1-5所示，一种下肢康复训练机器人的人机接触力检测装置，该人机接触力检测装置通过连接块4以及连接组件安装在下肢康复训练机器人上，其包括配合在人体下肢上的穿戴环1、外环板2以及力检测模块，其中，穿戴环1由两个半环形构件组成，其上设有绑带孔13，两个半环形构件通过绑束带固定在人体下肢上，在穿戴环1的每一个半环形构件的侧面设有两个间隔设置的呈圆柱状的导杆101，与每一个半环形构件对应的外环板2，其内侧面设有两个间隔的圆柱状的凸台201，需要注意的是：圆柱状的凸台201与导杆101位置一一对应，在每一个圆柱状的凸台201的端面上设有用于安装导杆101的导向槽，所述的力检测模块包括设置在导向槽内的薄膜压力传感器11、设置在导杆101和薄膜压力传感器11之间的传力组件以及用于接收薄膜压力传感器11的信号并输出的信号转换模块12，为了方便安装，信号转换模块12嵌设在外环板2外侧的安装槽内并通过导线与薄膜压力传感器11电连接；本实施例中，薄膜压力传感器设置在导向槽底部，并通过凸台201底部设置的开口放置其中；所述外环板2通过长度调整组件安装在连接块4上，所述的长度调整组件包括两个长度调节螺杆7，两个长度调节螺杆7一端分别固定连接在连接块4的两侧面上，另一端通过外环板上螺孔以及调整螺母与对应的外环板2相连接；该结构可以根据患者的下肢腿围尺寸及时调节检测装置的大小，适应具体个性化差异的患者，能够增加患者穿戴的舒适性和便捷性。

本实施例中，采用双长度调节螺杆7加调整螺母3反向旋进实现外环板2的移动固定以适应不同的患者，其次，长度调节螺杆7还具有如下作用：穿戴环1的双圆柱导杆101置于凸台201的孔内通过长度调节螺杆7限制到其自由度、起导向作用。

本实施例中，在患者下肢肢体的前后布置4个薄膜压力传感器11，检测装置原理及处理方法为差动形式，同时检测出力信号，分析判断前后力信号差值，减少测量误差。

本实施例中，如图2和图5所示，所述传力组件为连接在导杆101端部的弹簧9以及设置在弹簧9和薄膜压力传感器11之间的金属圆垫10，在安装时，弹簧9和金属圆垫10嵌装在外环板2上的凸台201的凹孔内，金属圆垫10安装在薄膜压力传感器11的上面，顶紧螺钉8连接在外环板的凹槽处的位置；穿戴环1受到来至患者的力作用后经过弹簧9，再由弹簧的弹性特性可知，使得金属圆垫10受到来至弹簧9的力作用后，再传递到薄膜压力传感器11，信号转换模块12将薄膜压力传感器11的电阻信号转换为电压信号，通过DSP嵌入式采集***实现人机接触力的实时采集与存储，并根据薄膜压力传感器11的标定公式计算出此时传感器所受压力，将测量获得的数据一并保存至上位机，再把测量的值经过信号转换模块12的转化，再传递到机器人中，最终完成对于力大小的检测。

本实施例中，如图2所示，薄膜压力传感器11的有效检测区域在外环板2的凸台201的凹孔内，为保证薄膜压力传感器11能够检测到穿戴环1上的双圆柱导杆通过弹簧9、金属圆垫10传递的接触力，需要将穿戴环1的导杆101、弹簧9、金属圆垫10和外环板2的凸台201按照同轴的方式进行安装，安装后再通过顶紧螺钉8进行固定。

本实施例中，如图3所示，两个长度调节螺杆7分别分布在连接块4的不同轴的两侧位置，呈现一上一下的分布情况。

本实施例中，如图4所示，将连接块4与下肢外骨骼机器人的凸台进行配合连接，在通过固定螺栓6连接，最后由固定螺母5进行预紧固定，最后完成人机接触力检测装置与下肢康复训练机器人的连接。

在康复运动训练过程中，由于患者与下肢康复训练机器人运动动作不同步，因此人体下肢与下肢康复训练机器人之间存在不断变化的接触力，通过对人机接触力的检测与处理，分析患者的主动参与意识，为康复训练机器人提供交互控制的信息反馈；

实际人机接触力值的数据处理原理如图6所示，从图中可以看出，其中：内环为穿戴环1，外环为外环板2， x方向为下肢康复训练机器人带动患者行走的方向，1、2、3以及4代表着位于下肢两侧的四个薄膜压力传感器设置位置；

以下肢康复训练机器人带动患者行走的方向为基准，位于前方的两个薄膜压力传感器1、2检测值之和减去3、4检测值之和，即为实时的人机接触力；每侧布置两个薄膜压力传感器是避免装置在患者行走中发生偏移而导致测量误差；在主动康复训练中人机接触力为外骨骼提供的驱动力减去人腿的主动力；在被动康复训练中人腿不主动参与驱动，检测值为外骨骼提供的驱动力。因此人机接触力反映了患者的主动参与意图；

人体行走过程具有节律性，患者在康复训练机器人带动下，按照预置的康复步态重复进行训练，因此人机接触力信号也具有周期性，与行走步态的周期性保持一致；依据上述方法，采用本装置对患者起步、周期步和止步过程中的实际人机接触力和步态轨迹进行连续监测，获取该患者的数据作为样本集；

利用稀疏学习与鲁棒学习相结合的方法，采用l ₁约束的Huber损失最小化学习算法对有限样本集进行学习、异常点去除，得到具有患者特征的训练曲线；稀疏学习算法提高模型学习的速度，快速求解各参数；鲁棒学习算法在训练样本中包含异常值时保持模型的稳定性和可靠性，将两种算法组合在一起，对于人机接触力的非线性特征以及人体行走过程中的随意性导致的数据误差，在获得预测模型上有较强的泛化能力。

本方案，采用多接触点薄膜压力传感器，利用薄膜电阻的阻值发生改变的特性，进行人机之间接触力的检测；检测装置的外形尺寸以标准人体下肢腿围尺寸作为基础，通过可调整部件设计，满足不同体态人体的穿戴要求。从人体行走过程中参与行走的主要肌肉的位置可知，是在大腿和小腿的前部和后部，机器人的辅助运动通过绑带传递到人体下肢上，推动下肢前摆和后摆，也是作用在下肢的前部和后部，因此自制的人机接触力传感器布置在下肢的前部和后部，而不必安装在人体与外骨骼之间的狭小空间内。

应当指出，虽然通过上述实施方式对本实用新型进行了描述，然而本实用新型还可以有其他的多种实施方式。在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，熟悉本领域的技术人员显然可以对本实用新型做出各种相应的改变和变形，但这些改变和变形都应当属于本实用新型所附权利要求及其等效物所保护的范围内。

Claims (9)

1.一种下肢康复训练机器人的人机接触力检测装置，该人机接触力检测装置通过连接块以及连接组件安装在下肢康复训练机器人上，其特征在于：包括配合在人体下肢上的穿戴环、外环板以及力检测模块，所述外环板对称设置穿戴环的两侧，在穿戴环的每一个侧面与对应的外环板之间分别设有至少两组力检测模块，所述外环板通过长度调整组件安装在连接块上，所述的长度调整组件包括两个长度调节螺杆，两个长度调节螺杆固定连接在连接块的两侧分别与对应的外环板相连接，并通过调整螺母进行固定。

2.根据权利要求1所述的一种下肢康复训练机器人的人机接触力检测装置，其特征在于：在所述穿戴环的每一个侧面上分别设有两个间隔设置的导杆，与每一个导杆对应的位置处，在外环板的内侧面对应设有凸台，在凸台的端面上设有用于安装导杆的导向槽，所述的力检测模块包括设置在导向槽内的薄膜压力传感器、设置在导杆和薄膜压力传感器之间的传力组件以及用于接收薄膜压力传感器的信号并输出的信号转换模块。

3.根据权利要求2所述的一种下肢康复训练机器人的人机接触力检测装置，其特征在于：所述穿戴环，其两侧面的导杆位于同一个水平面上，所述导杆通过顶紧螺钉固定连接在外环板侧面的凸台上。

4.根据权利要求2所述的一种下肢康复训练机器人的人机接触力检测装置，其特征在于：所述的薄膜压力传感器设置在导向槽底部，并通过凸台底部设置的开口放置其中。

5.根据权利要求2所述的一种下肢康复训练机器人的人机接触力检测装置，其特征在于：所述的传力组件包括连接在导杆端部的弹簧以及设置在弹簧和薄膜压力传感器之间的金属圆垫，穿戴环受到来至患者的力作用后,该作用力经过弹簧以及金属圆垫施加在薄膜压力传感器上。

6.根据权利要求2所述的一种下肢康复训练机器人的人机接触力检测装置，其特征在于：所述信号转换模块嵌设在外环板的外侧面，薄膜压力传感器设置在外环板的内侧并靠近信号转换模块的位置。

7.根据权利要求1或2所述的一种下肢康复训练机器人的人机接触力检测装置，其特征在于：所述的长度调整组件，两个所述长度调节螺纹杆分布在连接块的不同轴的两侧位置，呈一上一下的分布。

8.根据权利要求1所述的一种下肢康复训练机器人的人机接触力检测装置，其特征在于：所述的穿戴环由两个半环形构件组成，其上设有绑带孔，两个半环形构件通过绑束带固定在人体下肢上。

9.根据权利要求1所述的一种下肢康复训练机器人的人机接触力检测装置，其特征在于：所述的连接块通过固定螺栓和固定螺母与下肢康复训练机器人的凸台进行配合连接。

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